石油化工装置中硫化氢探测器设置探讨

宋晓芳，田京山

(中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257026)



石油化工装置中硫化氢探测器设置探讨

宋晓芳，田京山

(中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257026)

硫化氢气体无色剧毒、易燃易爆、破坏性强，常存在于高酸性气田、高含硫原油、原油馏分、伴生气、石油采出水中[1]。随着以普光为代表的高酸性气田开发及越来越多的超深油气井开采，硫化氢探测器的应用场合越来越多。但国内缺少针对油气田工程的有毒气体设计规范，尤其在硫化氢有毒气体设计时，现行规范存在少许不足，主要表现在：

1) 硫化氢探测器设置问题。现行规范中没有明确介质中硫化氢气质量浓度为多少时需要设置，导致介质中一旦检出微量硫化氢，就需要设置。

2) 规范中要求的探测器相对于释放源的距离太近。非封闭区探测器位于释放源最小频率风向的上风侧时，有毒气体探测器与释放源的距离不宜大于2m；当位于下风侧或在封闭区域时，不宜大于1m[2]，导致探测器设置过多，实际油气田工程中严格按此标准设计的较少。

笔者主要针对以上两点进行探讨，希望为相关的设计项目提供参考。

1硫化氢探测概要

1.1硫化氢的危害

硫化氢无色，有臭蛋味，《高毒物品目录》(卫法监发[2003]142号)中将硫化氢列为有毒气体。硫化氢经呼吸道进入人体，主要损伤中枢神经、呼吸系统。人对硫化氢的嗅觉阀值为0.012～0.03mg/m3[3]，起初随着硫化氢质量浓度的升高，臭味增强，但当质量浓度超过100mg/m3之后，反而随着质量浓度的升高而减弱。在高浓度时(超过150mg/m3)，人很快会因嗅觉钝化察觉不到硫化氢的存在，因而不能通过臭味强度来判断是否有中毒的危险[4]。在石油天然气工程中，通常采用硫化氢气体探测报警器来实现对硫化氢的监测。

1.2硫化氢探测器报警值设置

GBZ 2.1—2007《工作场所有害因素职业接触限值 第1部分： 化学有害因素》第4条： 卫生要求规定硫化氢的最高允许浓度(MAC)为10mg/m3(9.88ppm)[5]。国内现行规范中常用有毒气体、蒸汽特征规定硫化氢直接致害浓度(IDLH)为430mg/m3。

而美国政府工业卫生专家联合会(ACGIH)中推荐时间加权平均浓度(PC-TWA)为15mg/m3(9.88ppm)，短时间接触允许浓度(PC-STEL)为22.5mg/m3(14.82ppm)[7]。

国内现行规范中报警值的设置规则： 有毒气体的一级报警设定值宜小于或等于100%最高容许浓度/短时间接触容许浓度，有毒气体的二级报警值不得超过10%的直接致害浓度值[7]。

根据以上规范，目前工程中普遍将硫化氢气体质量分数的一级报警值设为1×10-5、二级报警值设为2×10-5。

2硫化氢探测器设置问题探讨

2.1硫化氢在可燃气体中质量浓度和气体扩散质量浓度

对于硫化氢而言，可燃气体中的质量浓度是指挥发气或可燃气体中硫化氢的质量浓度，比如酸性天然气、石油挥发气中硫化氢质量浓度等。而扩散质量浓度是指含硫化氢的气体泄漏到空气中，在探测器附近可检测到的空气中含硫化氢的质量浓度，可见在一定距离内硫化氢的扩散质量浓度要远小于可燃气体中的质量浓度。由此可知，硫化氢探测器能检测到的是扩散质量浓度，而不是可燃气体中的硫化氢质量浓度。

实际工程中，硫化氢在可燃气体中的质量浓度较易得到，一般可以通过化验方式测得；而硫化氢的扩散质量浓度，需要根据可燃气体中硫化氢质量浓度，经工艺计算才能得出，而计算就需要考虑介质物性、环境条件、天气条件等诸多因素[8]，一般工艺也无法给出具体值，只能用可燃气体中的硫化氢质量浓度进行估算。国内现行规范中，也没有明确规定可燃气体中硫化氢质量浓度为多少时需要设置硫化氢探测器。

由于规范中缺乏具体规定，造成在实际设计时可燃气体中硫化氢质量分数一旦超过一级报警值(1×10-5)就需要设计硫化氢探测器，一些安监部门也根据此数据验收，因而许多没有必要设置的站场都安装了硫化氢探测器，造成极大浪费。

2.2硫化氢气体扩散质量浓度估算及硫化氢探测器设置分析

对于硫化氢的扩散质量浓度，不妨用最苛刻的条件推算。以含硫化氢质量分数为1×10-3的天然气为例，设天然气(以纯甲烷计算)的爆炸下限(LEL)为5%，可燃气体一级报警值为1%(取20% LEL)，硫化氢一级报警值为1×10-5。假设泄漏发生在一个完全密闭的空间内，天然气会在泄漏点附近被空气迅速稀释，当探测器附近检测到1%天然气时，可近似认为含质量分数为1×10-3硫化氢的天然气已经被稀释了100倍，此时硫化氢的扩散质量浓度近似为1×10-5，即同时达到可燃气体和有毒气体一级报警值。

国内现行规范中要求，在可燃气体浓度先于有毒气体达到报警限时，可只设置可燃气体探测器，一样可以起到安全监控的目的。

因此，对于介质中硫化氢质量浓度低于1×10-3的场站，通过设置可燃气体探测器即可达到安全监控的目的。考虑到天然气和挥发气体成分的复杂性、硫化氢与可燃气体扩散速度的不同以及硫化氢气体的高毒特性，在实际设计中宜取1倍的安全系数，即介质中硫化氢质量分数在1×10-5～5×10-4(太小可认为无硫化氢场所)的站场，可仅设置可燃气体探测器，不设有毒气体探测器。需要注意的是，无论可燃气体是否比空气轻，这类站场均应在可能泄漏处附近设置可燃气体探测器，进行安全监控。

对此，SHELL规范DEP 32.30.20.11-Gen“Fire,GasandSmokeDetectionSystems”(2011版)中也有类似要求，见表1所列。

3硫化氢探测器设置半径问题

关于有毒气体探测器探测距离，规范中规定“当非封闭区检(探)测器位于释放源最小频率风向的上风侧时，有毒气体检(探)测器与释放源的距离不宜大于2m；当位于下风侧时，不宜大于1m”；在封闭或局部通风不良的区域“有毒气体检(探)测器距释放源不宜大于1m”[2]。

另外，国内现行规范中规定下列可能产生可燃气体、有毒气体的主要释放源应布置检(探)测点： 气体压缩机和液体泵的密封处；液体采样口和气体采样口；液体排液(水)口和放空口；设备和管道的法兰和阀门组[2]。

由于以上区域，如法兰、阀门、排放口在石油天然气站场随处可见，如果严格按规范设计，需要在站场的露天硫化氢工艺区按照每4m方格布置硫化氢探测器(探头保护半径为2m)，需要的探头数量很多。以某酸性气田集气站为例，该站占地面积约8700m2，含采气井口1座，标准采气规模55×104m3/d，其中可能产生硫化氢泄漏的工艺装置区(包括井口、火炬放空区、生产分离器橇块、发球筒区、计量区等)面积约670m2，硫化氢质量分数约为2.7%～8.44%。以涉及硫化氢面积200m2的井口区为例，如果严格执行规范要求，则需要13只探测器，而整个集气站需要设置42只。探测器设置过于密集一方面会大幅提高造价，另一方面也会对平面布置造成很大困难，有些工艺装置区管线密集、空间狭小、可操作性低，且大量硫化氢探测器增加的定期标定及日常维护工作量，会造成大量人力资源浪费。

表1　固定式硫化氢探测器设置需求

现行规范中规定硫化氢探测器设置距离只有2m，这是根据炼化工厂工艺装置比较稠密、通风和气体扩散不良的实际情况制订的。而油气田和管道站场的设备及管路密集程度远不及炼化工厂，且通风条件良好，易于可燃气体和有毒气体扩散。在这种情况下，针对石油化工工程的规范中的规定并不完全适用于石油天然气工程。

由于无法进行大量实验，笔者也不能给出合理的硫化氢探测器设置距离，但不妨借鉴SHELL标准，同样在DEP 32.30.20.11-Gen“Fire,GasandSmokeDetectionSystems”(2011版)中6.2.2.2关于有毒气体的要求如下：

对于有毒气体，探测器检测性能要求是由特定危险所需的保护水平决定的。当有毒气体云的大小无法通过平面布置、人员通道及控制、有毒气体释放位置、工艺介质中有毒气体的浓度、保护时间(例如，操作员穿戴自主呼吸器的时间)计算得出时，可缺省认为在任何区域有毒气体的云可按8m直径考虑，即探测器可在距释放源4m处设置。

参考SHELL标准，在封闭区域按保守设计的话，可比文献[2]要求的探测距离增加1倍，即非封闭区探测器位于释放源最小频率风向的上风侧时，硫化氢探测器与释放源的距离小于等于4m；当位于下风侧或在封闭区域时，小于等于2m。

上文中所提的某高酸性气体集气站即按此标准进行设计，并按设备布置进行了优化，硫化氢探测器数量降低至11只。

4结束语

在油气田工程硫化氢气体检测项目中，环境中硫化氢质量分数在1×10-5～5×10-4时，可仅设置可燃气体探测报警器；大于5×10-4时，应设置硫化氢探测器。探测器距释放源的距离可参照SHELL标准，非封闭区探测器位于释放源最小频率风向的上风侧时，硫化氢探测器与释放源的距离小于等于4m；当位于下风侧或在封闭区域时，小于等于2m。这样设计更加符合生产实际，在保障安全的情况下，可节省大量投资及人工成本。

参考文献：

[1]樊娜.常用天然气硫化氢测定方法影响结果的因素分析[J].北方环境,2011(07)： 209.

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[3]刘泽杰，杨琳.石化装置中硫化氢的危害及治理[J].化学工程与装备，2010(06)： 147.

[4]肖驰．油品罐区硫化氢中毒危害分析及防治对策[J]．化工安全与环境，2004(32)： 15．

[5]苏志，李涛，梁友信，等．GBZ 2.1—2007工作场所有害因素职业接触限值第1部分： 化学有害因素[S].北京： 中国标准出版社，2007．

[6]刘祥康，胡振英，左柯庆，等．SY-T 6610—2005含硫化氢油气井井下作业推荐作法[S].北京： 石油工业出版社，2005： 24．

[7]张敏，李涛，马瑞玲，等．GBZ/T 223—2009工作场所有毒气体检测报警装置设置规范[S].北京： 人民卫生出版社，2010．

[8]赵义,陈平,郭昭学,等．含硫天然气扩散浓度预测与边界条件处理方法[J]．西部探矿工程，2009(04)： 70．

[9]郭忙玖,任峰,吕明.基于ATMEGA16的一体式水分硫化氢仪表的开发[J].化工自动化及仪表,2012,39(02)： 194-197.

[10]张军.炼油装置在湿硫化氢环境中的腐蚀与选材[J].化工设备与管道，2012,49(01)： 67-71.

摘要：由于现行规范中要求的探测器相对于释放源的距离太近，且没有明确介质中硫化氢质量浓度为多少时需要设置等，针对石油天然气工程设计中，硫化氢探测器的设置及设置距离的不合理之处进行了探讨。参照国内外相关规范、标准，就硫化氢探测器的设置位置及设置距离给出了可行性解决方案，使设计更加符合生产实际，在保障安全的情况下，可节省大量投资及人工成本。

关键词：有毒气体硫化氢报警值设置探测距离扩散质量浓度

Discussion on H2S Detectors Setting in Petrochemical PlantSong Xiaofang, Tian Jingshan

(Sinopec Petroleum Engineering Corporation (SPE), Dongying, 257026, China)

Abstract：Aiming at petroleum & gas engineering design, unreasonable points and setting distance of H2S detectors in oil and gas engineering design are discussed since the detector is relative near to release source in current specification requirements, and without clear guidance under what H2S mass concentration to set it. A solution for H2S detector setting position and distance is given with reference to relative domestic and international specifications, standards. It makes design more suitable for actual production. The investment and human cost will be sharply decreased under safety guarantee.

Key words：toxic gas; H2S; alarm value setting; detection distance; diffusion mass concentration

中图分类号：TP273

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2015)03-0022-03

作者简介：宋晓芳(1984—)，女，河北宁晋人，2012年毕业于天津工业大学控制科学与工程专业，获硕士学位，现就职于中石化石油工程设计有限公司，从事石油化工工程设计工作，任助理工程师。

稿件收到日期： 2015-01-12，修改稿收到日期： 2015-03-20。